CN102402140B - 一种对准*** - Google Patents

Abstract

一种对准***，包括光源模块，提供对准***所需的对准光束，所述对准光束至少具有两个传播方向；光学条纹形成装置，接收上述不同方向的对准光束，形成第一光学条纹；光学模块，接收第一光学条纹，形成具有和下述对准标记相同的周期和方向的第二光学条纹，并接收所述第二光学条纹照射到下述对准标标记后形成的衍射光束；对准标记，具有一定的周期，至少向两个方向排列，其能接收第二光学条纹，并使其发生衍射；光电探测器，设置在光学模块和光学条纹形成装置之间，接收并测量上述衍射光束的强度，利用光强变化反映的位相信息确定对准位置。

Description

一种对准***

技术领域

本发明涉及光刻领域，尤其涉及光刻装置中使用的对准***。

背景技术

现有技术中的光刻装置，主要用于集成电路IC或其它微型器件的制造。通过光刻装置，具有不同掩模图案的多层掩模在精确对准下依次成像在涂覆有光刻胶的硅片上，例如半导体硅片或LCD板。光刻装置大体上分为两类，一类是步进光刻装置，掩模图案一次曝光成像在硅片的一个曝光区域，随后硅片相对于掩模移动，将下一个曝光区域移动到掩模图案和投影物镜下方，再一次将掩模图案曝光在硅片的另一曝光区域，重复这一过程直到硅片上所有曝光区域都拥有掩模图案的像。另一类是步进扫描光刻装置，在上述过程中，掩模图案不是一次曝光成像，而是通过投影光场的扫描移动成像。在掩模图案成像过程中，掩模与硅片同时相对于投影***和投影光束移动。

光刻装置中关键的步骤是将掩模与硅片对准。第一层掩模图案在硅片上曝光后从装置中移开，在硅片进行相关的工艺处理后，进行第二层掩模图案的曝光，但为确保第二层掩模图案和随后掩模图案的像相对于硅片上已曝光掩模图案像的精确定位，需要将掩模和硅片进行精确对准。由光刻技术制造的IC器件需要多次曝光在硅片中形成多层电路，为此，光刻装置中要求配置对准***，实现掩模和硅片的精确对准。当特征尺寸要求更小时，对套刻精度的要求以及由此产生的对对准精度的要求变得更加严格。

光刻装置的对准***，其主要功能是在套刻曝光前实现掩模一硅片对准，即测出硅片在机器坐标系中的坐标(XW，YW，ΦWZ)，及掩模在机器坐标系中的坐标(XR，YR，ΦRZ)，并计算得到掩模相对于硅片的位置，以满足套刻精度的要求。现有技术有两种对准方案。一种是透过镜头的TTL对准技术，激光照明在硅片上设置的周期性相位光栅结构的对准标记，由光刻装置的投影物镜所收集的硅片对准标记的衍射光或散射光照射在掩模对准标记上，该对准标记可以为振幅或相位光栅。在掩模标记后设置探测器，当在投影物镜下扫描硅片时，探测透过掩模标记的光强，探测器输出的最大值表示正确的对准位置。该对准位置为用于监测硅片台位置移动的激光干涉仪的位置测量提供了零基准。另一种是OA离轴对准技术，通过离轴对准***测量位于硅片上的多个对准标记以及硅片台上基准板的基准标记，实现硅片对准和硅片台对准；硅片台上基准板的基准标记与掩模对准标记对准，实现掩模对准；由此可以得到掩模和硅片的位置关系，实现掩模和硅片对准。

目前，光刻设备大多所采用的对准方式为光栅对准。光栅对准是指均匀照明光束照射在光栅对准标记上发生衍射，衍射后的出射光携带有关于对准标记结构的全部信息。高级衍射光以大角度从相位对准光栅上散开，通过空间滤波器滤掉零级光后，采集衍射光±1级衍射光，或者随着CD要求的提高，同时采集多级衍射光(包括高级)在像平面干涉成像，经光电探测器和信号处理，确定对准中心位置。

一种现有技术的情况(参见中国发明专利，公开号：CN1506768A，发明名称：用于光刻***的对准***和方法)，荷兰ASML公司所采用的一种4f***结构的ATHENA离轴对准***，该对准***在光源部分采用红光、绿光双光源照射；并采用楔块列阵或楔板组来实现对准标记多级衍射光的重叠和相干成像，并在像面上将成像空间分开；红光和绿光的对准信号通过一个偏振分束棱镜来分离；通过探测对准标记像透过参考光栅的透射光强，得到正弦输出的对准信号。

该对准***通过探测对准标记的(包括高级次衍射光在内)多级次衍射光以减小对准标记非对称变形导致的对准位置误差。具体采用楔块列阵或楔板组来实现对准标记多级衍射光的正、负级次光斑对应重叠、相干成像，同时各级衍射光光束通过楔块列阵或楔板组的偏折使得对准标记用于x方向对准的光栅各级光栅像在像面沿y方向排列成像；用于y方向对准的光栅各级光栅像在像面沿x方向排列成像，避免了对准标记各级光栅像扫描对应参考光栅时不同周期光栅像同时扫描一个参考光栅的情况，有效解决信号的串扰问题。但是，使用楔块列阵时，对折射正、负相同级次的两楔块的面型和楔角一致性要求很高；而楔板组的加工制造、装配和调整的要求也很高，具体实现起来工程难度较大，代价昂贵。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单的对准***和易于实现的对准方法。

本发明的对准***，包括：

光源模块，提供对准***所需的对准光束，所述对准光束至少具有两个传播方向；

光学条纹形成装置，接收上述不同方向的对准光束，形成第一光学条纹；

光学模块，接收第一光学条纹，形成具有和下述对准标记相同的周期和方向的第二光学条纹，并接收所述第二光学条纹照射到下述对准标标记后形成的衍射光束；

对准标记，具有一定的周期，至少向两个方向排列，其能接收第二光学条纹，并使其发生衍射；

光电探测器，设置在光学模块和光学条纹形成装置之间，接收并测量上述衍射光束的强度，利用光强变化反映的位相信息确定对准位置。

其中，所述光学模块为具有远心光路的透镜结构。

其中，所述光电探测器设置在所述透镜结构的频谱面上。

其中，所述光学条纹形成装置为半透半反平板或振幅光栅。

其中，所述半透半反平板厚度和倾斜角度满足如下公式

$d=\frac{\mathrm{f\λ}}{2h\×\tan \left(\arcsin \frac{\sin \mathrm{\θ}}{N}\right)\cos \mathrm{\θ}}$

其中d为第二光学条纹周期，f为光学模块焦距，λ为照明光束波长，N为半反半透平板的折射率，h为半反半透平板厚度，θ为半反半透平板相对照明光束所在平面的倾斜角度。

其中，所述对准光束具有两个相互垂直的传播方向。

其中，所述对准标记具有至少一组相互垂直的相位光栅，光学条纹照射到对准标记上后在互相垂直的两个方向上形成衍射光束，在对准标记与对准***相对运动的过程中，利用探测器阵列测量相互垂直的两个方向上的衍射光束的强度，利用光强变化反映的位相信息确定对准位置，当光强最大时即为对准位置。

其中，所述衍射光束具有一个以上衍射级次，每个衍射级次对应至少两个相同的扫描信号，这两个扫描信号相互矫正，合并形成一个矫正后的扫描信号。

本发明提出的对准***，简化了对准***，并改变了对准实现方法。

附图说明

图1所示为使用了根据本发明的对准***的光刻设备的结构示意图；

图2所示为根据本发明第一实施例的对准***结构示意图；

图3所示为根据本发明第二实施例的对准***结构示意图；

图4所示为本发明第二实施例的对准***中的振幅光栅结构示意图；

图5所示为本发明第一、第二实施例的对准***所用的探测器阵列示意图；

图6所示为本发明第一、第二实施例的对准***所用的对准标记结构示意图；

图7所示为本发明第一、第二实施例获得的扫描信号经过拟合后的形状示意图。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

图1所示为使用了根据本发明的对准***的光刻设备的结构示意图。光刻设备的构成包括：用于提供曝光光束的照明***1；用于支承掩模版2的掩模支架和掩模台3，掩模版2上有掩模图案和具有周期性结构的对准标记RM；用于将掩模版2上的掩模图案投影到硅片6的投影光学***4；用于支承硅片6的硅片支架和硅片台7，硅片台7上有刻有基准标记FM的基准板8，硅片6上有周期性光学结构的对准标记；用于掩模和硅片对准的离轴对准***5；用于掩模台3和硅片台7位置测量的反射镜10、16和激光干涉仪11、15，以及由主控制***12控制的掩模台3和硅片台7位移的伺服***13和驱动***9、14。

其中，照明***1包括一个光源、一个使照明均匀化的透镜***、一个反射镜、一个聚光镜(图中均未示出)。作为一个光源单元，可以采用KrF准分子激光器(波长248nm)、ArF准分子激光器(波长193nm)、F2激光器(波长157nm)、Kr2激光器(波长146nm)、Ar2激光器(波长126nm)、或者使用超高压汞灯(g-线、i-线)等。照明***1均匀照射的曝光光束IL照射在掩模版2上，掩模版2上包含有掩模图案和周期性结构的标记RM，用于掩模对准。掩模台3可以经驱动***14在垂直于照明***光轴(与投影物镜的光轴AX重合)的X-Y平面内移动，并且在预定的扫描方向(平行于X轴方向)以特定的扫描速度移动。掩模台3在移动平面内的位置通过位于掩模台3上的反射镜16由多普勒双频激光干涉仪15精密测得。掩模台3的位置信息由激光干涉仪15经伺服***13发送到主控制***12，主控制***12根据掩模台3的位置信息通过驱动***14驱动掩模台3。

投影光学***4(投影物镜)位于图1所示的掩模台3下方，其光轴AX平行于Z轴方向。由于采用双远心结构并具有预定的缩小比例如1/5或1/4的折射式或折反射式光学***作为投影光学***，所以当照明***1发射的曝光光束照射掩模版2上的掩模图案时，电路掩模图案经过投影光学***在涂覆有光刻胶的硅片6上成缩小的图像。

硅片台7位于投影光学***4的下方，硅片台7上设置有一个硅片支架(图中未示出)，硅片6固定在支架上。硅片台7经驱动***9驱动可以在扫描方向(X方向)和垂直于扫描方向(Y方向)上运动，使得可以将硅片6的不同区域定位在曝光光场内，并进行步进扫描操作。硅片台7在X-Y平面内的位置通过一个位于硅片台上的反射镜10由多普勒双频激光干涉仪11精密测得，硅片台7的位置信息经伺服***13发送到主控制***12，主控制***12根据位置信息(或速度信息)通过驱动***9控制硅片台7的运动。

硅片6上设有周期性结构的对准标记，硅片台7上有包含基准标记FM的基准板8，对准***5分别通过硅片对准标记和基准标记FM实现硅片6对准和硅片台7对准。另外，一个同轴对准单元(图中未示出)将硅片台上基准板8的基准标记FM与掩模对准标记RM对准，实现掩模对准。对准***5的对准信息结合同轴对准单元的对准信息一起传输到主控制***12，经数据处理后，驱动***9驱动硅片台7移动实现掩模和硅片6的对准。

图2所示为根据本发明的对准***的第一实施例的结构示意图。该对准***由其中的光源模块提供对准光源，对准光源需要从两个方向入射，其之间具有一定的夹角，本发明以对准光源需要从两个相互垂直方向入射为具体实施例(图中未画出)。对准***结构主要包括：对准光束201，半透半反平板202，光电探测器固定结构203，光电探测器204，衍射光束收集透镜组205，对准标记206。

对准***原理为：光源模块输出的对准光束201(包括相互垂直的两个方向入射，图中未画出)进入半透半反平板(光学条纹形成装置)202，形成第一光学条纹，经由光学模块，图示为衍射光束收集透镜组(远心光路)205后得到与对准标记206周期和方向相同的第二光学条纹，所述第二光学条纹照射对准标记206后在相互垂直的两个方向上产生衍射(图中画出一个方向上的1-7级衍射光)，经过对准标记(工件台基准板或硅片)与对准***相对运动过程中，利用光电探测器204上的光电探测器阵列测量相互垂直的两个方向上的衍射光束光强，具体地，所述光电探测器204设置在衍射光束收集透镜组(远心光路)205的频谱面上。半透半反平板厚度和倾斜角度根据对准标记周期大小进行设计，可以是几种厚度和倾斜角的组合，以产生不同周期和方向的光学条纹，半透半反平板厚度和倾斜角度满足如下公式

$d=\frac{\mathrm{f\λ}}{2h\×\tan \left(\arcsin \frac{\sin \mathrm{\θ}}{N}\right)\cos \mathrm{\θ}}$

其中d为第二光学条纹周期，f为光学模块焦距，λ为照明光束波长，N为半反半透平板的折射率，h为半反半透平板厚度，θ为半反半透平板相对照明光束所在平面的倾斜角度。例如当需要产生周期为8um的干涉条纹时，半反半透平板倾斜角度为45度，半反半透平板折射率为1.5，厚度为4mm(对应透镜组焦距为80mm，入射波长为633nm)。

图3所示为根据本发明的对准***的第二实施例的结构示意图。与图2所示的第一实施例所用对准***结构不同的是，在本方案中，所述光学条纹形成装置为振幅光栅302，利用振幅光栅302产生光学条纹，其具体结构如图4所示。振幅光栅302由水平向两组不同周期的振幅光栅401、402和垂直向两组不同周期的振幅光栅403、404组成。分别产生水平向光学条纹和垂直向光学条纹。

图5是本发明第一、第二实施例的对准***的探测器阵列示意图，501为光电探测器固定架构，502为光电探测器阵列，分为水平向和垂直向两个方向排列，分别对应对准标记两个方向衍射光束+1、+3、+5、+7级，-1、-3、-5、-7级位置，放置在光学***频谱面位置上。

图6为本发明第一、第二实施例的对准***的对准标记结构示意图，由水平向两组周期分别为例如17.6um、16um的位相光栅601、602和垂直向两组周期分别为例如17.6um、16um的位相光栅603、604组成。

图7为本发明第一、第二实施例的扫描信号经过拟合后的形状示意图，分别对应对准标记周期为17.6um光栅1级衍射光扫描信号-对应信号周期为8.8um、周期为16um光栅1级衍射光扫描信号-对应信号周期为8um、周期为16um光栅3级衍射光扫描信号-对应信号周期为8.3um、周期为16um光栅5级衍射光扫描信号-对应信号周期为8.5um、周期为16um光栅7级衍射光扫描信号-对应信号周期为8.7um。在进行拟合后得到一个周期内光强最大值时表示已经对准。需要说明的是，每个光扫描信号由对应正负两个光扫描信号相互矫正得到。

根据本发明的对准***中，使光源出射的对准光束相互垂直为本发明的最佳实施例，但是，本发明并不局限于这种实施方式，对准光束之间可以具有不同的夹角，该夹角的大小与对准标记上的位相光栅之间的夹角相互对应。

本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (6)

1.一种对准***，包括光源模块，提供对准***所需的对准光束，所述对准光束至少具有两个传播方向，其特征在于，所述对准***还包括；

半透半反平板，接收上述不同方向的对准光束，形成第一光学条纹；

光学模块，接收上述第一光学条纹，形成具有和下述对准标记相同的周期和方向的第二光学条纹，并接收所述第二光学条纹照射到下述对准标标记后形成的衍射光束；

对准标记，具有一定的周期，至少向两个方向排列，其能接收第二光学条纹，并使其发生衍射；

光电探测器，设置在光学模块和半透半反平板之间，接收并测量上述第二光学条纹经上述对准标记衍射后的光束的强度，利用光强变化反映的位相信息确定对准位置；

其中，所述半透半反平板厚度和倾斜角度满足如下公式：

$d=\frac{\mathrm{f\λ}}{2h\×\tan \left(\arcsin \frac{\sin \mathrm{\θ}}{N}\right)\cos \mathrm{\θ}}$

其中d为第二光学条纹周期，f为光学模块焦距，λ为照明光束波长，N为半反半透平板的折射率，h为半反半透平板厚度，θ为半反半透平板相对照明光束所在平面的倾斜角度。

2.根据权利要求1所述的一种对准***，其特征在于：所述光学模块为具有远心光路的透镜结构。

3.根据权利要求2所述的一种对准***，其特征在于：所述光电探测器设置在所述透镜结构的频谱面上。

4.根据权利要求1所述的一种对准***，其特征在于：所述对准光束具有两个相互垂直的传播方向。

5.根据权利要求4所述的一种对准***，其特征在于：所述对准标记具有至少一组相互垂直的相位光栅，第二光学条纹照射到对准标记上后在互相垂直的两个方向上形成衍射光束，在对准标记与对准***相对运动的过程中，利用探测器阵列测量相互垂直的两个方向上的衍射光束的强度，利用光强变化反映的位相信息确定对准位置，当光强最大时即为对准位置。

6.根据权利要求1-5中任意一个所述的对准***，其特征在于：所述衍射光束具有一个以上衍射级次，每个衍射级次对应至少两个相同的扫描信号，这两个扫描信号相互矫正，合并形成一个矫正后的扫描信号。

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